Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

428

2000 г. 2040 г.

Рис.7.3. Мировые запасы некоторых металлов

Загрязнение воздушного бассейна

Основные загрязняющие вещества

Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако

последствия употребления огня, которым он пользовался

весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться

с тем, что дым мешал дыханию и что сажа ложилась черным

покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло бы-

ло для человека важнее, чем чистый воздух и незакопченные

стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не пред-

ставляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими

группами, занимая неизменно обширную нетронутую природную

среду. И даже значительное сосредоточение людей на срав-

нительно небольшой территории, как это было в классической

древности, не сопровождалось еще серьезными последствия-

ми.

429

Так было вплоть до начала девятнадцатого века. Лишь за

последние сто лет развитие развитие промышленности "одари-

ло" нас такими производственными процессами, последствия

которых вначале человек еще не мог себе представить. Воз-

никли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все

это результат великих изобретений и завоеваний человека.

Существуют три основных источника загрязнения атмосфе-

ры: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каж-

дого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно

различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно,

что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное произ-

водство.

Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе

с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; ме-

таллу ргические предприятия, особенно цветной металлургии,

которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород,

хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соедине-

ния ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вред-

ные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для

нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта,

сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Ат-

мосферные загрязнители разделяют на первичные, поступаю-

щие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся

результатом превращения последних. Так, поступающий в ат-

мосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, кото-

рый взаимодействует с парами воды и образует капельки сер-

ной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с ам-

миаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным

образом, в результате химических, фотохимических, физико-

химических реакций между загрязняющими веществами и ком-

понентами атмосферы, образуются другие вторичные призна-

ки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете

являются тепловые электростанции, металлургические и хими-

ческие предприятия, котельные установки, потребляющие более

70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Ос-

новными вредными примесями пирогенного происхождения

являются следующие:

- оксиды углерода С0 и СО

. СО получается при неполном сго-

рании углеродистых веществ. В воздух он попадает в резул ьта-

те сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбро-

сами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа пос т у-

430

пает в атмосферу не менее 1250 млн.т Диоксид углерода явля-

ется соединением, активно реагирующим с составными частя-

ми атмосферы и способствует повышению температуры на пла-

нете, и созданию парникового эффекта (парниковый эффект и

его воздействие будет рассмотрен ниже). Оксидов углерода

больше всего дает черная и цветная металлургия, угольная про-

мышленность;

- сернистый ангидрид SО

. Выделяется в процессе сгорания се-

русодержащего топлива или переработки сернистых руд (до

170 млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при

горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в

США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого

ангидрида составило 65 процентов от общемирового выброса.

Наибольшее количество SO

поступает в окружающую среду от

работы энергетических установок (50%), предприятий черной и

цветной металлургии;

- серный ангидрид SO

. Образуется при окислении с ерни-

стого ангидрида. Конечным продуктом реакции является

аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде,

который подкисляет почву, обостряет заболевания дыха-

тельных путей человека. Выпадение аэрозоля серной ки-

слоты из дымовых факелов химических предприятий отме-

чается при низкой облачности и высокой влажности возду-

ха. Листовые пластинки растений, произрастающих на рас-

стоянии менее 11 км. от таких предприятий, обычно бы-

вают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, обра-

зовавшихся в местах оседания капель серной кислоты.

Пирометаллургические предприятия цветной и черной ме-

таллу ргии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосфе-

ру десятки миллионов тонн серного ангидрида;

- сероводород H

S и сероуглерод CS

. Поступают в атмосфе-

ру раздельно или вместе в другими соединениями серы.

Основными источниками выброса являются предприятия по

изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимиче-

ские, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В

атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями

подвергаются медленному окислению до серного ангидрида;

- оксиды азота. Основными источниками выброса являются

предприятия, производящие азотные удобрения, азотную

кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоедине-

ния, вискозный шелк, целлу лоид. Количество оксидов азота,

431

поступающих в атмосферу, составляет 20 млн.т. в год.

Больше всего оксидов азота поступает в атмосферу от теп-

лоэлектростанций (ТЭС), предприятий черной металлургии;

- соединения фтора. Источниками загрязнения являются

предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла,

керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие

вещества поступают в атмосферу в виде газообразных со-

единений - фтороводорода или пыли фторида натрия и

кальция. Соединения характеризуются токсическим эффек-

том. Производные фтора являются сильными инсектици-

дами;

- соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических

предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодер-

жащие пестициды, органические красители, гидролизный

спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются

как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Ток-

сичность хлора определяется видом соединений и их кон-

центрацией. В металлургической промышленности при вы-

плавке чугуна и при переработке его на сталь происходит

выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядови-

тых газов. Так, в расчете на 11 т передельного чугуна выде-

ляется кроме 12,7 кг сернистого газа и 14,5 кг пылевых

частиц, определяющих количество соединений мышьяка,

фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов,

смолистых веществ и цианистого водорода.

Аэрозольное загрязнение атмосферы

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во

взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозо-

лей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у лю-

дей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэ-

розольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана,

мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в

атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц меж-

ду собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных

частиц составляет 11-51 мкм. В атмосферу Земли ежегодно по-

ступает около 11 куб. км пылевидных частиц искусственного

происхождения. Большое количество пылевых частиц образу-

ется также в ходе производственной деятельности людей. Све-

432

дения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ни-

же:

Выбросы пыли при производственных процессах,

млн.т/год

1. Сжигание каменного угля 93,60

2. Выплавка чугуна 20,21

3. Выплавка меди (без очистки) 6,23

4. Выплавка цинка 0,18

5. Выплавка олова (без очистки) 0,004

6. Выплавка свинца 0,13

7. Производство цемента 53,37

Основными источниками искусственных аэрозольных загряз-

нений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высо-

кой зольности, обогатительные фабрики, металлургические,

цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные

частицы от этих источников отличаются большим разнообрази-

ем химического состава. Чаще всего в их составе обнаружива-

ются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды

металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свин-

ца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хро-

ма, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разно-

образие свойственно органической пыли, включающей алифа-

тические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она об-

разуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе

пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и дру-

гих подобных предриятиях. Постоянными источниками аэро-

зольного загрязнения являются промышленные отвалы - ис-

кусственные насыпи из переотложенного материала, преиму-

щественно вскрышных пород, образуемых при добыче полез-

ных ископаемых или же из отходов предприятий перерабаты-

вающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых

газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате

одного среднего по массе взрыва (1250-300 тонн взрывчатых

веществ) в атмосферу выбрасывается около 12 тыс. м

. услов-

ного оксида углерода и более 1150 т пыли. Производство це-

мента и других строительных материалов также является ис-

точником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологи-

ческие процессы этих производств - измельчение и химиче-

ская обработка шихт, полу фабрикатов и получаемых продуктов

433

в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пы-

ли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным

загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и нена-

сыщенные, включающие от 11 до 13 атомов углерода. Они

подвергаются различным превращениям, окислению, полимери-

зации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязните-

лями после возбуждения солнечной радиацией. В результате

этих реакций образуются перекисные соединения, свободные

радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы

часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных ус-

ловиях могу т образовываться особо большие скопления вред-

ных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое

воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воз-

духа непосредственно над источниками газопылевой эмиссии

существует инверсия - расположения слоя более холодного

воздуха под теплым, что препятствует воздушных масс и за-

держивает перенос примесей вверх. В результате вредные вы-

бросы сосредоточиваются под слоем инверсии, содержание их у

земли резко возрастает, что становится одной из причин образо-

вания ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.

Фотохимический туман (смог)

Фотохимический туман представляет собой многокомпонент-

ную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного

происхождения. В состав основных компонентов смога входят

озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические со-

единения перекисной природы, называемые в совокупности

фотооксидантами.

Так, попадающий в воздух SO

, взаимодействуя с водой по

реакции:

+ H

О = H

образует мельчайшие капли H

, которые вместе с пылью

создают в воздухе дисперсную систему, называемую часто лон-

донским смогом (еще недавно это был бич крупнейших промыш-

ленных городов). В последнее время основной угрозой для го-

рожан становится так называемый фотохимический смог.

434

Фотохимический смог возникает в результате фотохимиче-

ских реакций при определенных условиях: наличии в атмосфе-

ре высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и дру-

гих загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безвет-

рия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при

мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Он

образуется согласно схеме

hν

→ NO + O,

O + O

+ M → O

+ M*,

+ NO → NO

+ O

(M * – газообразная молекула в возбужденном состоянии). Ус -

тойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся ин-

версиями, необходима для создания высокой концентрации реа-

гиру ющих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-

сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде

солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида

азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода.

Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон.

Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова

превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в ди-

оксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции

с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепля-

ются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток

озона. В результате продолжающейся диссоциации новые мас-

сы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные коли-

чества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в

атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ноч-

ное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реак-

цию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные

пероксиды, которые в сумме и образуют характерные для фото-

химического тумана оксиданты. Последние являются источни-

ком так называемых свободных радикалов, отличающихся осо-

бой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление

над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и дру-

гими городами Европы и Америки. По своему физиологическому

воздействию на организм человека они крайне опасны для ды-

хательной и кровеносной системы и часто бывают причиной

преждевременной смерти городских жителей с ослабленным

здоровьем.

435

Загрязнение атмосферы подвижными

источниками выбросов

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием

автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля вы-

бросов, поступающих в атмосферу от подвижных источни-

ков: грузовых и легковых автомобилей, тракторов, тепловозов

и самолетов. Согласно оценкам, в городах на долю автотранс-

порта приходится (в зависимости от развития в данном городе

промышленности и числа автомобилей) от 30 до 70 % общей

массы выбросов. В США в целом по стране по крайней мере

40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ со-

ставляют выбросы подвижных источников.

Автотранспорт

Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят автомо-

били, работающие на бензине (в США на их долю приходится

около 75%), затем самолеты (примерно 5%), автомобили с ди-

зельными двигателями (около 4%), тракторы и другие сельско-

хозяйственные машины (около 4%), железнодорожный и водный

транспорт (примерно 2%). К основным загрязняющим атмосферу

веществам, которые выбрасывают подвижные источники (об-

щее число таких веществ превышает 40), относятся оксид угле-

рода (в США его доля в общей массе составляет около 70%),

углеводороды (примерно 19% ) и оксиды азота (около 9% ). Ок-

сид углерода (CO) и оксиды азота (N0

) поступают в атмосферу

только с выхлопными газами, тогда как не полностью сгоревшие

углеводороды (H

) поступают как вместе с выхлопными газами

(что составляет примерно 60 % от общей массы выбрасывае-

мых углеводородов), так и из картера (около 20 %), топливного

бака (около 10 %) и карбюратора (примерно 10 %); твердые при-

меси поступают в основном с вы хлопными газами (90 %) и из

картера (10 %).

Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасы-

вается при разгоне автомобиля, особенно при быстром, а также

при движении с малой скоростью (из диапазона наиболее эконо-

мичных). Относительная доля (от общей массы выбросов) угле-

436

водородов и оксида углерода наиболее высока при торможении

и на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих

данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют

воздушную среду при частых остановках и при движении с малой

скоростью.

Создаваемые в городах системы движения в режиме "зеле-

ной волны", существенно сокращающие число остановок транс-

порта на перекрестках, призваны сократить загрязнение атмо-

сферного воздуха в городах. Большое влияние на качество и ко-

личество выбросов примесей оказывает режим работы двига-

теля, в частности соотношение между массами топлива и возду-

ха, момент зажигания, качество топлива, отношение поверхности

камеры сгорания к ее объему и др. При увеличении отношения

массы воздуха и топлива, поступающих в камеру сгорания, со-

кращаются выбросы оксида углерода и углеводородов, но воз-

растает выброс оксидов азота.

Несмотря на то, что дизельные двигатели более экономич-

ны, таких веществ, как СО, H

, NО

, выбрасывают не более,

чем бензиновые, они существенно больше выбрасывают дыма

(преимущественно несгоревшего углерода), который к тому же

обладает неприятным запахом, создаваемым некоторыми не-

сгоревшими углеводородами). В сочетании же с создаваемым

шумом, дизельные двигатели не только сильнее загрязняют

среду, но и воздействуют на здоровье человека гораздо в боль-

шей степени, чем бензиновые.

Самолеты

Хотя суммарный выброс загрязняющих веществ двигате-

лями самолетов сравнительно невелик (для города, страны), в

районе аэропорта эти выбросы вносят определяющий вклад в

загрязнение среды. К тому же турбореактивные двигатели (так

же как дизельные) при посадке и взлете выбрасывают хорошо

заметный на глаз шлейф дыма. Значительное количество при-

месей в аэропорту выбрасывают и наземные передвижные

средства, подъезжающие и отъезжающие автомобили.

В аэропорту Лос-Анджелеса в 1970 г эмиссия от самоле-

тов и наземных средств составила (табл. 7.3):

437

Таблица 7.3

Эмиссия загрязняющих веществ

в аэропорту г. Лос-Анжелес

Транспорт Вещество, т

СО H

NО

Аэрозоль

Самолеты 10250 18000 2500 3820

Наземные сред-

ства

8980 1235 750 80

Согласно полученным оценкам, в среднем около 42 % об-

щего расхода топлива тратится на выруливание самолета к

взлетно-посадочной полосе перед взлетом и на заруливание с

ВПП после посадки (по времени в среднем около 22 мин). При

этом доля несгоревшего и выброшенного в атмосферу топлива

при рулении намного больше, чем в полете. Помимо улучше-

ния работы двигателей (распыление топлива, обогащение сме-

си в зоне горения, использование присадок к топливу, впрыск

воды и др.), существенного уменьшения выбросов можно до-

биться путем сокращения времени работы двигателей на зем-

ле и числа работающих двигателей при рулении (только за счет

последнего достигается снижение выбросов в 3 - 8 раз).

В последние 10 - 15 лет большое внимание уделяется ис-

следованию тех эффектов, которые могут возникнуть в связи с

полетами сверхзвуковых самолетов и космических кораблей.

Эти полеты сопровождаются загрязнением стратосферы окси-

дами азота и серной кислотой (сверхзвуковые самолеты), а так-

же частицами оксида алюминия (транспортные космические

корабли). Поскольку эти загрязняющие вещества разрушают

озон, то первоначально создалось мнение (подкрепленное соот-

ветствующими модельными расчетами), что планируемый рост

числа полетов сверхзвуковых самолетов и транспортных косми-

ческих кораблей приведет к существенному уменьшению содер-

жания озона со всеми последующими губительными воздейст-

виями ультрафиолетовой радиации на биосферу Земли. Однако

более глубокий подход к этой проблеме позволил сделать за-

ключение о слабом влиянии выбросов сверхзву ковых самолетов

на состояние стратосферы. Так, при современном числе сверх-

звуковых самолетов и выбросе загрязняющих веществ на высоте

около 16 км относительное уменьшение содержания О

может

составить примерно 0.60%; если их число возрастет до 200 и